JP2005108443A

JP2005108443A - Mechanical microswitch

Info

Publication number: JP2005108443A
Application number: JP2003329814A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hirose; 廣瀬満
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP3985229B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microswitch drivable with low voltage at high speed. <P>SOLUTION: Based on that a movable part having a contact is floated as the whole by static electricity, the movable part is inclined by controlling the potential of some of a plurality of electrodes for floating it. The movable part has the contact for short-circuiting a signal line, and makes contact with the signal line divided by two, by this inclination, to mutually short-circuit the divided signal lines, resulting in conduction of the signal line. In this case, since no unnecessary force is applied to an operation part, the microswitch can be driven with an extremely low voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は主に移動体通信等に利用される高周波帯域で利用されるマイクロメカニカルスイッチに関する。 The present invention relates to a micromechanical switch used in a high frequency band mainly used for mobile communication and the like.

移動体通信においてはマルチメディアへの対応の為、ますます通信波長の高周波化が進められている。例えば１０ＧＨｚのような従来使用されている高周波帯域よりさらに高い周波数領域が必要になるとされている。このような高い周波数領域では旧来の半導体を用いた素子では挿入損失が大きすぎ且つアイソレーションが不十分な為実用上十分な性能が得られていない。このことから挿入損失及びアイソレーションの面で十分な性能の得られるマイクロマシン技術を用いた高周波スイッチの開発が進められている。現在までに考えられているマイクロマシン技術を用いたスイッチに関してその原理を図１１及び図１２を用いて簡単に示す。基板６０に支柱９０を介して短絡用電極を備えた可動部５０が設置されている。スイッチングをおこなう接触端子を含む可動部を静電気または磁場により弾性変形させることで端子を二つの信号線を接触させている。このことにより二つに分かれた信号線は短絡されることによりスイッチONの状態となる。この方法を用いる場合、可動部５０を弾性変形させる必要があるが機械的な信頼性を維持する為には可動部５０の板厚を厚くする必要がある。信頼性が維持できる板厚で可動部５０を電圧が２０V程度必要となり携帯に適さない。また高い電位を利用する為接触時の衝撃が大きく端子が張り付く等の問題があり１０^６回程度の寿命が限界であったが現状の１０^９回程度という要求には応じきれていない。さらにスイッチング速度もｍSecオーダーが限度である。
特開2002-260498 スイッチ装置特開2002-164441 高周波スイッチ回路装置 In mobile communication, higher communication wavelengths are being promoted to support multimedia. For example, a higher frequency region than a conventionally used high frequency band such as 10 GHz is required. In such a high frequency region, an element using a conventional semiconductor has a large insertion loss and insufficient isolation, so that practically sufficient performance cannot be obtained. For this reason, development of a high-frequency switch using a micromachine technology capable of obtaining sufficient performance in terms of insertion loss and isolation is being promoted. The principle of the switch using the micromachine technology considered so far will be briefly described with reference to FIGS. A movable part 50 including a short-circuit electrode is provided on the substrate 60 via a support 90. The movable part including the contact terminal that performs switching is elastically deformed by static electricity or a magnetic field to bring the terminal into contact with the two signal lines. As a result, the signal line divided into two is short-circuited so that the switch is turned on. When this method is used, it is necessary to elastically deform the movable part 50, but it is necessary to increase the plate thickness of the movable part 50 in order to maintain mechanical reliability. The thickness of the plate that can maintain the reliability requires a voltage of about 20 V for the movable part 50, which is not suitable for carrying. Although high impact at the time of contact for utilizing potential has the problems such as sticking large terminal 10 ^six times about life was limited not fully respond to the request as about 10 ⁹ times the current. Furthermore, the switching speed is limited to the mSec order.
JP 2002-260498 SWITCH DEVICE JP 2002-164441 HIGH FREQUENCY SWITCH CIRCUIT DEVICE

本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは旧来の半導体によるスイッチに対しては挿入損失、アイソレーションといったスイッチング特性の向上、旧来のマイクロマカニカルスイッチに対して駆動電圧の提言、信頼性の向上、スイッチング速度の向上を行うことができるマイクロメカニカルスイッチを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to improve the switching characteristics such as insertion loss and isolation for a conventional semiconductor switch, and to a conventional micromachanical switch. It is an object of the present invention to provide a micromechanical switch capable of providing a drive voltage, improving reliability, and improving switching speed.

信号線を導通させる接点を有する可動部を静電気により全体的に浮かせることを基本にしてその浮かせる為の複数の電極の内、幾つかの電位を制御することで、可動部を傾ける。可動部には信号線を短絡する為の接点を有しておりこの傾きにより二つに分割された信号線に接触して分割された信号線どうしが短絡され、信号線は導通することになる。この場合稼動部には不要な力は加わっていないので非常に低い電圧での駆動が可能である。 The movable part having a contact for conducting the signal line is basically floated by static electricity, and the movable part is tilted by controlling several potentials among the plurality of electrodes for floating. The movable part has a contact for short-circuiting the signal line, and due to this inclination, the signal line divided into two is brought into contact with each other and the divided signal lines are short-circuited, and the signal line becomes conductive. . In this case, an unnecessary force is not applied to the operating part, so that driving with a very low voltage is possible.

本発明による構造であれば不要な力が可動部に加わらない為低電圧で駆動でき且つ高速で可動部を駆動することができる。またメカニカルなスイッチングである為不要な寄生容量及び電流が洩れる部分も無いことから挿入損失及びアイソレーションといった特性も良好である。さらに可動部の板厚も弾性変形を利用しない為適切な範囲で充分厚く取れることから信頼性を高められる。また静電気を加える場合これにより駆動電極に生じる電位を適切に制御できれば信号線への接触の瞬間のダメージは低減可能である。これによりさらに信頼性を高めることができる。 With the structure according to the present invention, unnecessary force is not applied to the movable part, so that the movable part can be driven at a low voltage and at a high speed. In addition, since it is mechanical switching, there are no unnecessary parasitic capacitances and current leaking parts, so that characteristics such as insertion loss and isolation are good. Further, since the plate thickness of the movable part does not use elastic deformation, the thickness can be sufficiently increased within an appropriate range, so that the reliability can be improved. Further, when static electricity is applied, if the potential generated at the drive electrode can be appropriately controlled, damage at the moment of contact with the signal line can be reduced. Thereby, reliability can be further improved.

静電気を駆動源としたスイッチにおいて、接点となる電極を有する略板状の可動部の一
部分あるいは全部が静電気により他の構造体から浮かされたことを特徴としたマイクロメカニカルスイッチ。 A micromechanical switch characterized in that, in a switch using static electricity as a drive source, part or all of a substantially plate-like movable portion having an electrode serving as a contact is floated from another structure by static electricity.

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。但し図面はもっぱら説明の為のものであって、本発明の技術的範囲を限定するものでない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the drawings are for explanation only and do not limit the technical scope of the present invention.

図１１．に従来の高周波用スイッチの断面図を示す。これは可動部５０を支持用電極１１、１２及び駆動電極３０，３１を用いた静電気力で弾性変形させ、接触していない二つの信号線４０を信号線４１と４２に同時に接触させることで信号線４１と信号線４２は導通し、信号はON状態となる。この場合弾性変形を低電圧で行おうとする場合は板厚を薄くする必要が生じるが、信頼性を低くしてしまう。 FIG. Shows a cross-sectional view of a conventional high-frequency switch. This is because the movable part 50 is elastically deformed by electrostatic force using the support electrodes 11 and 12 and the drive electrodes 30 and 31, and the two signal lines 40 that are not in contact with the signal lines 41 and 42 are contacted simultaneously. The line 41 and the signal line 42 are conducted, and the signal is turned on. In this case, when elastic deformation is to be performed at a low voltage, it is necessary to reduce the plate thickness, but the reliability is lowered.

図２．は本発明の動作を示すスイッチの断面と上面の模式図である。基板上に駆動用電極３２，３３，３４，３５、支持用電極１１、１２及び信号線４１、４２，４３，４４が配置されている。信号線４１、４２，４３，４４及び支持用電極１１，１２はメッキにより、駆動用電極３２，３３，３４，３５より厚く形成されている。可動部５となる板は破線で示すように電極及び信号線４１，４２，４３，４４の分割されている部分を覆っている。さらに可動部５となる板の中央付近には突起がありこれがメッキで形成されたストッパー２１と２２及び２３と２４の中央に配置され、縦方向及び横方向への動きを制限している。 FIG. These are the schematic diagrams of the cross section and upper surface of the switch which show operation | movement of this invention. Driving electrodes 32, 33, 34, and 35, supporting electrodes 11 and 12, and signal lines 41, 42, 43, and 44 are disposed on the substrate. The signal lines 41, 42, 43, 44 and the supporting electrodes 11, 12 are formed thicker than the driving electrodes 32, 33, 34, 35 by plating. The plate which becomes the movable portion 5 covers the divided portions of the electrodes and signal lines 41, 42, 43 and 44 as indicated by broken lines. Further, there is a protrusion in the vicinity of the center of the plate that becomes the movable portion 5, and this is arranged in the center of the stoppers 21 and 22 and 23 and 24 formed by plating to restrict the movement in the vertical and horizontal directions.

この動作を図３．を用いて説明する。基本的には単純に駆動用電極３２，３３，３４，３５と可動部５の静電気力のみを利用するものである。最初は可動部５及び全ての電極に３Ｖを印加する。この場合可動部５は全ての電極から浮かされた状態である。次に対角上に配置された駆動用電極３３，３４のみの電位を０Ｖとすると０Ｖとした駆動用電極３３，３４に可動部５は引き寄せられ、結果として０Ｖとした電極に近い方の接点に、可動部が接触することになる。この際接点が図３．に示すように高周波用の信号線４０，４１が接近して置かれていれば、これを短絡させることでスイッチング動作とすることができる。０Ｖとした電極を３Ｖに戻し逆の対角上駆動電極３２、３５を０Ｖとすれば反対側の信号線４４，４５を短絡させることで、スイッチング動作が可能となる。 This operation is illustrated in FIG. Will be described. Basically, only the electrostatic force of the driving electrodes 32, 33, 34, 35 and the movable part 5 is used. Initially, 3 V is applied to the movable part 5 and all the electrodes. In this case, the movable part 5 is in a state of floating from all the electrodes. Next, when the potential of only the driving electrodes 33 and 34 disposed diagonally is 0V, the movable portion 5 is attracted to the driving electrodes 33 and 34 set to 0V, and as a result, the contact closer to the electrode set to 0V. In addition, the movable part comes into contact. At this time, the contact is shown in FIG. If the high-frequency signal lines 40 and 41 are placed close to each other as shown in FIG. If the electrode set to 0V is returned to 3V and the opposite diagonal drive electrodes 32 and 35 are set to 0V, the signal lines 44 and 45 on the opposite side are short-circuited to enable the switching operation.

具体的な構造を説明する。まず可動部５を浮かすための条件を述べる、前提条件として電圧、可動部５と駆動用電極３２，３３，３４，３５の間のギャップ長を一定の値とした場合で浮かせるのに必要な駆動用電極３２，３３，３４，３５の面積を考慮する。電極として作用する面積以外の部分の面積を電極の面積に対し４０％とする。この条件で具体的に計算してみると以下のようになる。印加電圧を３Ｖ、ギャップ長を５μｍと定める。また材料をＮｉとする、この場合の比重は８９０２ｋｇｍ−３である。電極の面積を変数として計算してみる。この際電極を正方形とし、板厚をこの１／２０とした場合の結果を図４．に示す。この結果は図４に示すように２６０μｍ角までは静電気力が重力を上まわる。厚さをさらに電極の一辺の１／５０、１／１００で計算するとそれぞれ６５０μｍ、１３００μｍ角に相当する。これは一例であるが、ある範囲内での条件で設計すれば十分可動部は浮かせることができる。さらに可動部が電極に近づきギャップ長が短くなれば静電気力がより大きくなる為、この計算よりさらに余裕が生じる。 A specific structure will be described. First, the conditions for floating the movable part 5 are described. As a precondition, the voltage and the drive necessary for floating when the gap length between the movable part 5 and the drive electrodes 32, 33, 34, and 35 are set to a constant value. Consider the area of the electrodes 32, 33, 34, 35 for use. The area of the portion other than the area acting as the electrode is set to 40% with respect to the area of the electrode. A specific calculation under these conditions is as follows. The applied voltage is 3 V and the gap length is 5 μm. Further, the material is Ni, and the specific gravity in this case is 8902 kgm-3. Let's calculate the electrode area as a variable. In this case, the result when the electrode is square and the plate thickness is 1/20 is shown in FIG. Shown in As a result, as shown in FIG. 4, electrostatic force exceeds gravity up to 260 μm square. If the thickness is further calculated by 1/50 and 1/100 of one side of the electrode, it corresponds to 650 μm and 1300 μm square, respectively. This is an example, but the movable part can be floated sufficiently if designed under conditions within a certain range. Furthermore, if the movable part approaches the electrode and the gap length is shortened, the electrostatic force becomes larger, so that more margin is generated than this calculation.

例えば可動部５の板の形状を６００ｅ^−６×１６０ｅ^−６、厚さ５μｍギャップ長５μｍとする場合。この場合の静電気力は８．７ｅ^−８Ｎ重力は４．１９ｅ^−８Ｎで浮かせることが可能となる。携帯電話等に使用する場合持ち方により重力のかかる方向はランダムであるが、水平方向成分はストッパーで支える為垂直方向の力のみを考慮すれば良い事になる。この際、可動部を引き付ける駆動用電極３２、３３，３４，３５は信号線４２，４３，４４，４５及び支持用電極１１，１２より薄く形成され、可動部５と直接接触しないよう配慮する。あるいは電極全てを薄い絶縁膜で覆い、ＤＣ成分のみの導通を防いでも良い。可動部５の電位はストッパー２から電位の維持に必要な電力を供給することで安定して浮上させられる。ストッパー２１，２２，２３，２４は機械的あるいは静電気的に移動を制限するが、この形状をひし形計状とすることでより簡便にストッパー効果は得られる。あるいは突起部のみの断面形状を正方形あるいは円形に近くすることも有効である。 For example, when the shape of the plate of the movable part 5 is 600e ⁻⁶ × 160e ⁻⁶ , the thickness is 5 μm, and the gap length is 5 μm. The electrostatic force in this case is 8.7e ^-8 N gravity becomes possible to float in 4.19e ^-8 N. When used in a mobile phone or the like, the direction of gravity is random depending on how it is held, but since the horizontal component is supported by a stopper, only the force in the vertical direction needs to be considered. At this time, the drive electrodes 32, 33, 34, 35 for attracting the movable part are formed thinner than the signal lines 42, 43, 44, 45 and the support electrodes 11, 12, and care is taken not to directly contact the movable part 5. Alternatively, all the electrodes may be covered with a thin insulating film to prevent conduction of only the DC component. The electric potential of the movable part 5 is stably levitated by supplying electric power necessary for maintaining the electric potential from the stopper 2. The stoppers 21, 22, 23, and 24 restrict the movement mechanically or electrostatically, but the stopper effect can be more easily obtained by making this shape a rhombus gauge. Alternatively, it is also effective to make the cross-sectional shape of only the protrusions close to a square or a circle.

製造プロセスの例に付き図５を基に説明する。材料及び構造は説明の為のものであり本発明の技術的範囲を限定するものでない。例えばガラス基板上にＣｒ／Ｔｉパターンをリフトオフ法により形成する。これは駆動電極３２，３３，３４，３５、支持電極１１，１２信号線４３，４４，４５，４６のパターンに適用される。この上に有機物あるいは比較的酸あるいはアルカリにより容易に溶かすことのできる金属による犠牲層を形成し、支持電極１１，１２お呼び信号線４３，４４，４５，４６にＡｕメッキを行う。この上にさらにレジストによりパターンを形成し、この上にスパッター等でTi、Cｕを成膜した後メッキにより可動部となる板を形成する。次に犠牲層を形成し、この一部に基板６１まで達する上部基板を支える為の支柱９１，９２及びストッパー２１，２２，２３，２４を形成する。ここに駆動電極３２，３４、支持用電極１１、電極パッド１０１，１０２，１０３、コンタクト電極７１，７２，７３を形成した上部基板６２を取り付ける。この際駆動部周辺は真空状態としておき駆動部５が動くときに生じる空気抵抗を無くす。またそれぞれの電極はパッド１０１，１０２，１０３に接続され外部から容易に接続できる。 An example of the manufacturing process will be described with reference to FIG. The materials and structures are illustrative and do not limit the technical scope of the present invention. For example, a Cr / Ti pattern is formed on a glass substrate by a lift-off method. This is applied to the patterns of the drive electrodes 32, 33, 34, 35 and the support electrode 11, 12 signal lines 43, 44, 45, 46. A sacrificial layer made of an organic material or a metal that can be easily dissolved by an acid or alkali is formed thereon, and Au plating is performed on the support electrodes 11 and 12 and the nominal signal lines 43, 44, 45, and 46. A pattern is further formed by a resist on this, and Ti and Cu are formed thereon by sputtering or the like, and then a plate to be a movable part is formed by plating. Next, a sacrificial layer is formed, and pillars 91 and 92 and stoppers 21, 22, 23, and 24 for supporting the upper substrate reaching the substrate 61 are formed in a part thereof. The upper substrate 62 on which the drive electrodes 32, 34, the support electrode 11, the electrode pads 101, 102, 103, and the contact electrodes 71, 72, 73 are formed is attached. At this time, the periphery of the drive unit is kept in a vacuum state, and air resistance generated when the drive unit 5 moves is eliminated. Each electrode is connected to the pads 101, 102, 103 and can be easily connected from the outside.

このようにしても本発明による高周波スイッチが形成できる。またこのような可動方式では可動部に加わる負荷は極めて小さく、この為可動部材の板厚を極端に小さくできる為、高速な駆動が可能である。 In this way, the high-frequency switch according to the present invention can be formed. Further, in such a movable system, the load applied to the movable part is extremely small, so that the plate thickness of the movable member can be extremely reduced, so that high-speed driving is possible.

図６．に示すよう電極を片側のみとすることでより簡便に同様な動作を得ることができる。この場合ストッパーは支点位置での上下方向への動きを制限するストッパー８１，８２を設けている。 FIG. The same operation can be obtained more simply by using only one electrode as shown in FIG. In this case, the stopper is provided with stoppers 81 and 82 for restricting the vertical movement at the fulcrum position.

可動部５の水平方向への動きを制限するためのストッパー２１、２２、２３、２４、の動作を静電気による反発力で行う場合、可動部５の一部を図７．に示すような可動部５の端部を包み込むようにストッパー用電極２５あるいは２６を配置する。可動部が水平方向へ移動した場合より強く反発力を受けてしまう。このことにより可動部の水平方向の動きは制限される。包み込む形状は斜め形状でも良い。 When the operation of the stoppers 21, 22, 23, 24 for restricting the movement of the movable part 5 in the horizontal direction is performed by a repulsive force due to static electricity, a part of the movable part 5 is shown in FIG. The stopper electrode 25 or 26 is disposed so as to wrap around the end of the movable part 5 as shown in FIG. The repulsive force is received more strongly than when the movable part moves in the horizontal direction. This restricts the movement of the movable part in the horizontal direction. The enveloping shape may be an oblique shape.

本発明の用途として最も期待されるのが携帯電話等のモバイル通信機器の高周波スイッチである。現在は半導体による固体スイッチが主流であるが、将来予想される更なる高周波化においては挿入損失、アイソレーション共に問題が発生すると考えられている。本発明は、金属の接点を利用する為、挿入損失は極めて小さく、また空間的に接点を引き離す為アイソレーションも良好である。さらに可動部を極めて軽くできる為高速のスイッチングも可能である。さらに加えるならば接触する際、可動部が浮いている為衝撃が緩和され耐損傷性も高いと考えられ極めて優れた特性を有することとなり、今後予想される１０ＧＨｚ等の高周波帯域でも十分良好な結果が期待できる。 The most promising application of the present invention is a high-frequency switch for a mobile communication device such as a mobile phone. At present, solid-state switches made of semiconductors are the mainstream, but it is considered that both the insertion loss and the isolation will cause problems in the further higher frequency expected in the future. Since the present invention uses a metal contact, the insertion loss is extremely small, and since the contact is spatially separated, the isolation is good. Furthermore, since the movable part can be extremely light, high-speed switching is possible. In addition, when the contact is made, the movable part floats when contacting, so the impact is mitigated and the damage resistance is considered to be high, and it has extremely excellent characteristics. Can be expected.

本発明による高周波用スイッチの平面図である。It is a top view of the switch for high frequencies by the present invention. 本発明による高周波用スイッチの図１のII−II断面図である。It is II-II sectional drawing of FIG. 1 of the switch for high frequencies by this invention. 本発明による高周波用スイッチの動作の説明図で（イ）は、スイッチオフの状態（ロ）はスイッチオンの一つの状態（ハ）はスイッチオンのもう一つの状態である。(A) is a switch-off state (b) is one switch-on state (c) is another switch-on state. 図３において円で囲まれた要部拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a main part surrounded by a circle in FIG. 3. 板厚を一辺の１／２０とした場合の正方形電極における静電気力と重力の関係のグラフである。It is a graph of the relationship between electrostatic force and gravity in a square electrode when the plate thickness is 1/20 of one side. 製造プロセスの順序を示すもので（イ）は基板に対し電極を形成し、その後犠牲層を形成した図である。（ロ）は可動部を形成した図である。（ハ）はさらに犠牲層を積み上げそこにパターニングして支柱とストッパーを形成した図である。（ニ）は上部に電極及び取り出し用パッドを加えた基板を取り付けた図である。The order of the manufacturing process is shown. (A) is a diagram in which an electrode is formed on a substrate and then a sacrificial layer is formed. (B) is a view in which a movable part is formed. (C) is a view in which a sacrificial layer is further stacked and patterned to form a column and a stopper. (D) is the figure which attached the board | substrate which added the electrode and the pad for taking out to the upper part. 実施例２による高周波用スイッチの平面図である。6 is a plan view of a high frequency switch according to Embodiment 2. FIG. 図７においてVIII−VIII断面図である。It is VIII-VIII sectional drawing in FIG. 実施例３による水平方向の制御構造。9 is a horizontal control structure according to the third embodiment. 図９においてX−X断面図である。In FIG. 9, it is XX sectional drawing. 従来のマイクロマシンによる高周波用スイッチの断面図である。It is sectional drawing of the switch for high frequency by the conventional micromachine. 図１１において円に囲まれた要部の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the principal part enclosed in the circle in FIG.

Explanation of symbols

１１、１２支持用電極
２１、２２，２３，２４，２５，２６、ストッパー
３０、３１，３２，３３，３４，３５駆動用電極
４０、４１，４２，４３，４４，４５、４６信号線
５可動部
６０、６１、６２基板
７１，７２、７３コンタクト電極
８１，８２上下用ストッパー
９１，９２支柱
１０１，１０２、１０３電極パッド

11, 12 Support electrodes 21, 22, 23, 24, 25, 26, stoppers 30, 31, 32, 33, 34, 35 Driving electrodes 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46 Signal line 5 Movable Parts 60, 61, 62 Substrates 71, 72, 73 Contact electrodes 81, 82 Vertical stoppers 91, 92 Posts 101, 102, 103 Electrode pads

Claims

A micromechanical switch characterized in that, in a switch using static electricity as a drive source, part or all of a substantially plate-like movable portion having an electrode serving as a contact is floated from another structure by static electricity.

2. The micro of claim 1, further comprising an electrode for allowing the movable fulcrum portion to float substantially from the contact portion during operation, and two or more electrodes for driving the movable portion. Mechanical switch.

2. The micromechanical switch according to claim 1, further comprising a mechanism for restricting the movement of the substantially plate-shaped movable portion in a direction other than the rotation direction.

4. The micromechanical switch according to claim 1, wherein the mechanism for restricting movement in directions other than the rotation direction is based on static electricity.

2. The micromechanical switch according to claim 1, wherein the manufacturing process is mainly performed by a combination of a plating process and a photolithography process.