JP2006175557A - 微細構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】梁のバネ定数および梁の反りを低減することができる微細構造体を提供する。
【解決手段】梁１３の基部１３ａは、十分に薄く形成される。これにより、梁１３は、全体的に厚く形成する場合よりも高さ方向のバネ定数が小さくなる。また、梁１３の肉厚部１３ｂは、基部１３ａよりも十分に厚く形成される。これにより、梁１３は、全体的に薄く形成する場合よりも梁１３の反り量が小さくなる。このように部分的に厚さが異なる梁１３を設けることにより、微細構造体１０では、梁１３の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに梁１３の反りを低減することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロマシン技術を利用して作成された微細構造体に関するものである。

近年、薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)素子がある。マイクロマシンであるＭＥＭＳ素子の中には、微細な固定構造体と可動する構造体とからなるマイクロスイッチ、可変容量、加速度センサ、圧力センサ等の微細構造体がある。このような微細構造体の一例を図１１に示す。図１１は、従来の微細構造体の断面形状を示す模式図である。なお、便宜上、図１１を正面視した状態で上下方向を高さまたは厚さ方向、図１１の上方を上側、図１１の下方を下側という。

図１１に示す微細構造体３００は、基板３０１と、この基板３０１上に形成された支持部３０２と、支持部３０２に一端が支持された梁３０３と、梁３０３の他端に支持された可動部３０４とから構成される。このような微細構造体は、例えば、薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製することが可能である。

このような微細構造体は、可動部３０４に外力が加わると、梁３０３が弾性変形することにより可動部３０４が上下方向に変位する。このように可動部３０４の変位量は、梁３０３のバネ定数に依存し、梁３０３のバネ定数の値が小さいほど、可動部３０４を変位させるのに必要なエネルギー量が小さくなる。したがって、例えば図１１に示すような微細構造体を静電駆動型のマイクロスイッチに用いた場合、バネ定数の小さい梁３０３を用いると、スイッチの駆動電圧を低下させることが可能となる。また、圧力センサに用いた場合は、バネ定数の小さい梁３０３を用いると、より小さな圧力を検出することが可能となる。このため、従来より、梁３０３のバネ定数を小さくすることが望まれていた。

梁３０３のバネ定数を小さくするためには、梁３０３を薄く、かつ、長くすればよい。例えば、矩形断面を有する梁では、バネ定数は厚さの３乗に比例し、長さの３乗に反比例する。梁を長くすると微細構造体の占有面積が増大しコストが増加することから、従来では、梁を薄くしたり、梁を折り返し形状にすることによってバネ定数の低減化が行われてきた（例えば、非特許文献１参照。）。

ところが、一般に梁３０３は、厚さ方向に作用する内部応力を有している。このため、梁３０３には、梁３０３を反らせる曲げモーメントが発生し、梁３０３が反ってしまう。特に、梁３０３を薄く形成すると、曲げモーメントの影響を強く受けてしまい、図１１（ｂ）に示すように、梁３０３の反り量が大きくなる。このような梁３０３の反りは、微細構造体を所望の形状から逸脱させ、微細構造体の動作特性に悪影響を及ぼすため、反りを緩和することが望ましい。このため、従来より、反りを緩和させるための構造が提案されている。この例を図１２に示す。図１２は、従来の微細構造体の断面形状を示す模式図である。なお、図１２において、図１１と同等の構成要素については、図１１と同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

反りを緩和させるための構造としては、例えば図１２（ａ）に示す微細構造体３１０のように、梁３０３を厚く形成する方法がある。また、図１２（ｂ）に示す微細構造体３２０のように、梁３０３を第１層３０３ａと第２層３０３ｂとからなる多層構造とし、各層の材料や厚さを所定の値に設定することによって応力を緩和する方法もある（例えば、特許文献１参照。）。また、図１２（ｃ）に示す微細構造体３３０のように、梁３０３を、梁部材３０３ｄの上面と下面を上面部材３０３ｃ，下面部材３０３ｅで挟んだサンドイッチ構造とする方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これらの方法により、梁３０３の反り量を低減させることが可能となる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平９−２４６５６９号公報 特開平１０−４８２２６号公報 Dimitrios Peroulis、他３名、Electromechanical Considerations in Developing Low-Voltage RF MEMS Switches、IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,Vol.51,No.1,P259-270,JANUARY 2003

しかしながら、従来の方法では、何れも梁の厚さを増加させることにより反り量を低減させているので、梁のバネ定数が増加してしまう。このため、可動部を変位させるために必要なエネルギー量が増大する。このように、梁のバネ定数を小さくすることと梁の反りを緩和することとの間には厳しいトレードオフが存在しており、従来より両者を同時に実現することが望まれていた。そこで、本願発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、梁のバネ定数および梁の反りを低減することができる微細構造体を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明にかかる微細構造体は、基板上に形成された支持部と、この支持部により支持され、少なくとも一部が基板から離間した梁とを有する微細構造体において、梁の一部は、他の部分よりも少なくとも基板の法線方向に厚く形成されることを特徴とする。

上記微細構造体において、梁は、少なくとも一部が基板に対して平行な方向に折り曲げられるようにしてもよい。

上記微細構造体において、梁に支持された可動部をさらに有し、梁は、基板の法線方向に変位するようにしてもよい。

上記微細構造体において、梁を複数設けるようにしてもよい。ここで、支持部は、複数の梁を支持するようにしてもよい。また、支持部は、複数設けるようにしてもよい。

本発明によれば、梁の一部を他の部分よりも厚く形成することにより、この厚い部分では反りが緩和され、他の部分では薄く形成されているためにバネ定数が低減する。よって、梁全体として、反りおよびバネ定数が低減する。

また、本発明によれば、梁が折り曲げられた形状を有することにより、梁がより長くなるとともに、その折り曲げ部におけるひねりの効果により、バネ定数がさらに低減する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる微細構造体の断面構造を示す模式図である。なお、便宜上、以下にする説明において、例えば図１を正面視した状態で上下方向を高さまたは厚さ方向、図１の上方を上側、図１の下方を下側、図１を正面視した状態で左右方向を長さ方向、図１を正面視した状態で奥行き方向を幅方向という。

図１に示す微細構造体１０は、基板１１と、この基板１１上に形成された支持部１２と、この支持部１２により一端が支持された基板１１に対して略平行に配設された梁１３と、この梁１３の他端に支持された可動部１４とから構成される。

基板１１は、支持部１２を固定するための土台となる部材から構成される。

支持部１２は、梁１３を支持するための土台となる部材から構成され、基板１１上に形成される。なお、図１において支持部１２は、支持部１２の上面に配設された梁１３の端部を支持しているが、梁１３を支持する位置はこれに限定されず、例えば支持部１２の側面で梁１３の端部を支持するようにしてもよい。

梁１３は、例えば全体として棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部１２により支持され、他端が可動部１４を支持する基部１３ａと、この基部１３ａの支持部１２および可動部１４と離間した位置に基部１３ａよりも厚く形成された肉厚部１３ｂとを有する。ここで、基部１３ａおよび肉厚部１３ｂは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。

可動部１４は、例えばスイッチの端子やセンサの検出部など、微細構造体１０の機能を実現するために高さ方向に変位する部材からなる。この可動部１４は、梁１３により支持されており、梁１３が弾性変形することにより、高さ方向に変位する。

このような微細構造体１０において梁１３の基部１３ａは、十分に薄く形成される。これにより、梁１３は、全体的に厚く形成する場合よりも高さ方向のバネ定数が小さくなる。また、梁１３の肉厚部１３ｂは、基部１３ａよりも十分に厚く形成される。これにより、梁１３は、全体的に薄く形成する場合よりも梁１３の反り量が小さくなる。このように部分的に厚さが異なる梁１３を設けることにより、図１に示す微細構造体１０では、梁の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに梁の反りを低減することが可能となる。

次に、本実施の形態の具体例について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、静電容量型スイッチの要部平面図、図２（ｂ）は、スイッチＯＦＦ時の静電容量型スイッチの断面図、図２（ｃ）は、スイッチＯＮ時の静電容量型スイッチの断面図である。

図２に示す静電容量型スイッチ２０は、基板２１と、この基板２１上に形成された支持部２２と、この支持部２２により一端が支持され基板２１に対して略平行に配設された梁２３と、この梁２３の他端に支持された上部電極２４とを有する。この上部電極２４は、下面に絶縁層２５が形成されており、この絶縁層２５の下面には接点電極２６が形成されている。また、基板２１上の上部電極２４と対向する位置には、下部電極２７が配設されており、基板２１上の接点電極２６と対向する位置には配線２８，２９が配設されている。

基板２１は、例えばＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板の埋め込み絶縁層、シリコン基板に形成した絶縁層またはガラスなどの絶縁材料から構成される。このような基板２１の下方には、集積回路等が形成されるようにしてもよい。

支持部２２は、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる直方体形状の部材から構成され、基板２１上に形成される。このような支持部２２は、上面に配設された梁２３の一端を支持している。なお、図２において支持部２２は、支持部２２の上面に配設された梁２３の端部を支持しているが、梁２３を支持する位置はこれに限定されず、例えば支持部２２の側面で梁２３の端部を支持するようにしてもよい。また、図２において支持部２２は、直方体形状に形成されているが、支持部２２の形状はこれに限定されず、例えば正方体、円柱、角柱など適宜自由に設定することができる。

梁２３は、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部２２により支持され他端が上部電極２４を支持する基部２３ａと、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる棒または短冊状の板の形状を有し、基部２３ａの支持部２２および上部電極２４と離間した部分に基部２３ａよりも厚く形成された肉厚部２３ｂとを有する。ここで、基部２３ａおよび肉厚部２３ｂは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部２３ａと肉厚部２３ｂとは一体に形成するようにしてもよい。

上部電極２４は、Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属材料から構成され、梁２３の基部２３ａの端部により支持される。

絶縁層２５は、酸化シリコン等から構成され、上部電極２４の下面に形成される。このような絶縁層２５は、上部電極２４と絶縁層２５の下面に形成された接点電極２６とを絶縁する。

接点電極２６は、Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属材料から構成され、絶縁層２５の下面に形成される。

下部電極２７は、Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属材料から構成され、基板２１上の上部電極２４と対向する位置に形成される。

配線２８，２９は、Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属材料から構成され、図２（ａ）に示すように基板２１上の接点電極２６と対向する位置に対向配置されている。配線２８，２９に同時に接点電極２６が接触することにより、配線２８，２９は電気的に導通状態となる。

このような静電容量型スイッチ２０は、フォトリソグラフィ技術、薄膜形成技術、犠牲層エッチング等の公知のＭＥＭＳプロセス技術を用いて容易に形成することができる。

次に、静電容量型スイッチ２０の動作について説明する。まず、静電容量型スイッチ２０をＯＮにする場合、上部電極２６と下部電極２７に駆動電圧を印加する。すると、静電力により上部電極２４と下部電極２７との間で引力が発生し、上部電極２４が下部電極２７の方へ引っ張られる。このとき梁２３が弾性変形することにより、上部電極２４は下方へと変位し、図２（ｃ）に示すように接点電極２６と配線２８，２９とが接触する。これにより配線２８，２９が電気的に導通状態となるので、静電容量型スイッチ２０はスイッチがＯＮの状態となる。

一方、静電容量型スイッチ２０をＯＦＦにする場合、上部電極２４および下部電極２７への駆動電圧の印加を停止する。すると、上部電極２４と下部電極２７との間に発生していた引力が消滅する。このため、梁２３の弾性力により上部電極２４は上方へと変位する。この結果、接点電極２６は、図２（ｂ）に示すように配線２８，２９と離れるので、静電容量型スイッチ２０はスイッチがＯＦＦの状態となる。

このような静電容量型スイッチでは、スイッチング動作の低電圧駆動を目的として単純に梁全体を薄くすると、スイッチング動作の制御が困難となる。例えば、図１１（ｂ）に示したように、梁を薄くすることによって梁が上方に反った場合は、上部電極と下部電極との間隔が広くなるため、駆動電圧を大きくしなければならない。逆に、梁が下方に反った場合は、上部電極と下部電極との間隔が狭くなるため、駆動電圧を印加しない状態であっても接点電極が配線に接触し、スイッチが常時ＯＮ状態となってしまう恐れがある。一方、反りを緩和するために単純に梁全体を厚く形成した場合は、梁のバネ定数が増加するため、スイッチをＯＮ状態とするには、駆動電圧を大きくしなければならない。

これらに対して図２に示す静電容量型スイッチ２０の場合、梁２３は、梁２３の高さ方向のバネ定数を小さくするのに十分な程度まで薄く形成された基部２３ａと、梁２３の反りを緩和するのに十分な程度まで厚く形成された肉厚部２３ｂとから構成される。これにより、梁２３の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに、梁２３の反りを緩和することが可能となり、結果としてスイッチング動作の低電圧駆動が実現できる。

なお、本実施の形態の微細構造体は、図２に示すような静電容量型スイッチに限定されず、例えば可変容量、共振子、加速度センサや圧力センサ等の各種センサなど、各種構造体に対して適用することが可能である。

また、図２に示す静電容量型スイッチ２０では、肉厚部２３ｂが１つ形成されているが、この肉厚部２３ｂの数量は１つに限定されず、梁２３のバネ定数や反り量に応じて適宜自由に設定することができる。

次に、図３を参照して、他の実施の形態の微細構造体について説明する。図３は、微細構造体の構成を示す断面図である。なお、以下にする説明において、図１に示した微細構造体１０と同等の構成要素については同じ名称を付し、適宜説明を省略する。

微細構造体３０は、基板３１と、この基板３１上に形成された支持部３２と、この支持部３２により一端が支持され基板３１に対して略平行に配設された梁３３と、この梁３３の他端に支持された可動部３４とから構成される。

梁３３は、例えば棒または短冊状の板の形状を有する基部３３ａと、例えば棒または短冊状の板の形状を有し基部３３ａ上に形成された凸部３３ｂとを有する。基部３３ａは、一端が支持部３２により支持され、他端が可動部３４を支持している。このような基部３３ａは、全体的に厚く形成する場合よりも高さ方向のバネ定数が小さくなるよう十分に薄く形成される。凸部３３ｂは、基部３３ａの上面に設けられている。ここで、基部３３ａおよび凸部３３ｂは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部３３ａと凸部３３ｂとは、一体に形成するようにしてもよい。

このような微細構造体３０では、凸部３３ｂの厚さ、幅、長さ、層構造、材料、配設位置等を適宜設定することにより、梁３３の反り量を低減する。例えば、基部３３ａが下方に反るような応力を有している場合、図３に示すように基部３３ａの上面に凸部３３ｂを設け、この凸部３３ｂが圧縮応力を有するよう凸部３３ｂの厚さ、層構造を設定する。これにより、基部３３ａと凸部３３ｂとの内部応力が相殺され、梁３３の反り量が低減される。

なお、図３に示す微細構造体３０では、凸部３３ｂを基部３３ａの上面に設けるようにしたが、凸部３３ｂを設ける位置はこれに限定されない。例えば、基部３３ａの下面、基部３３ｂの側面など、長さ方向の端面を除く基部３３ａの何れの面に形成するようにしてもよい。また、凸部３３ｂは、例えば基部３３ａの上面、下面および両側面を含むよう基部３３ａの周囲を取り囲むように形成するなど、長さ方向の端面を除く基部３３ｂの何れの面であれば、複数の面にわたって形成するようにしてもよい。

また、凸部３３ｂの幅は、基部３３ａと同一でなくてもよく、例えば基部３３ａよりも小さくするなど、基部３３ａの反り量に応じて適宜自由に設定することができる。

次に、本実施の形態にかかる微細構造体の梁の厚さと梁の反りおよびバネ定数との関係について、従来の微細構造体と比較して説明する。図４（ａ)は、本実施の形態にかかる微細構造体の一例の断面構造を示す模式図、図４（ｂ）は、従来の微細構造体の断面構造を示す模式図である。

図４（ａ）に示す微細構造体４０は、基板４１と、この基板４１上に形成された支持部４２と、この支持部４２により一端が支持された梁４３と、この梁４３の他端に支持された可動部４４とから構成される。ここで、梁４３は、棒または短冊状の板の形状を有する基部４３ａと、棒または短冊状の板の形状を有する凸部４３ｂとから構成される。基部４３ａは、Ｔｉからなる第１層４３ｃと、この第１層４３ｃ上に形成されたＡｕからなる第２層４３ｄとから構成されるバイメタル構造を有する。

一方、図４（ｂ）に示す従来の微細構造体５０は、基板５１と、この基板５１上に形成された支持部５２と、この支持部５２により一端が支持された梁５３と、この梁５３の他端に支持された可動部５４とから構成される。ここで、梁５３は、一様な厚さで形成された断面矩形の棒の形状有し、Ｔｉからなる第１層５３ａと、この第１層５３ａ上に形成されたＡｕからなる第２層５３ｂとから構成されるバイメタル構造を有する。

このような微細構造体４０，５０について、以下に示す条件で梁の厚さとバネ定数および梁の反り量とについて測定した。まず、微細構造体４０，５０は、それぞれ梁４３，５３の幅を５μｍ、長さＬｂを５０μｍとした。この長さＬｂとは、図４に示すように、支持部４２，５２と可動部４４，５４との距離に対応する部分の梁４３，５３の長さを意味する。微細構造体４０の梁４３は、基部４３ａの第１層４３ｃの厚さを０．１μｍ、第２層４３ｄの厚さを０．４μｍとし、凸部４３ｂの厚さを０〜１．５μｍまで変化させた。一方、微細構造体５０の梁５３は、第１層５３ａの厚さを０．１μｍとし、第２層５３ｂの厚さを０．４〜１．９μｍまで変化させた。なお、微細構造体４０において、梁４３の部材４３と支持部４２または可動部４４との距離Ｌｓは５μｍである。

上述した条件における測定結果を図５に示す。図５は、図４の微細構造体の梁の厚さと梁の反りおよびバネ定数との関係を示す図である。まず、図４（ｂ）の従来の微細構造体５０の場合、図５の符号ａの点線に示すように梁５３が厚くなるにつれて反りは減少するが、図５の符号ｂの点線に示すようにバネ定数が著しく増加する。一方、図４（ａ）の微細構造体４０の場合、図５の符号ｂの実線に示すように、梁４３の凸部４３ｂを厚くしていくと、反り量が減少し、かつ、バネ定数の増加が著しく抑えられる。このように本実施の形態によれば、梁４３を基部４３ａと凸部４３ｂとから構成することにより、梁４３のバネ定数の増加を抑制できるとともに梁４３の反りを低減することが可能となる。

次に、微細構造体の梁における基部および凸部の割合と梁のバネ定数および反り量との関係について説明する。図４（ａ）に示した微細構造体４０において、以下の条件の下で梁のバネ定数および反り量を測定した。すなわち、梁４３の幅を５．０μｍ、長さＬｂを５０μｍ、基部４３ａの厚さを０．５μｍ（第１層４３ｃの厚さ０．１μｍ、第２層４３ｄの厚さ０．４μｍ）、凸部４３ｂの厚さを１．５μｍとし、基部４３ａの割合を変化させた。この基部４３ａの割合とは、（２Ｌｓ／Ｌｂ）で表されるものである。例えば、図５の測定に用いた図４（ａ）の微細構造体４０の場合、Ｌｂが５０μｍ、Ｌｓが５μｍなので、基部４３ａの割合は２０％となる。

上述した条件における測定結果を図６に示す。図６は、図４（ａ）に示す微細構造体４０における基部４３ａの割合に対する梁４３のバネ定数および反り量の関係を示す図である。なお、図６において、符号ａの実線は梁４３の反り量、符号ｂの実線は梁４３のバネ定数をそれぞれ示している。

基部４３ａの割合が０％、言い換えると、凸部４３ｂが基部４３ａと同じ長さに形成されて梁４３全体が厚い場合、反り量は最も小さく、バネ定数は最も大きい。この状態から基部４３ａの割合を増加させる、言い換えると、凸部４３ｂの長さを短くするにつれて、反り量は増加し、バネ定数は減少する。基部４３ａの割合が１００％、言い換えると、凸部４３ｂが形成されておらず梁４３全体が薄い場合、反り量は最も大きく、バネ定数は最も小さい。このように本実施の形態の微細構造体では、梁４３の基部４３ａの割合を変化させると、梁４３の反り量とバネ定数が変化することが確認された。

図６の測定結果によると、梁４３の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに梁４３の反りを低減するには、梁４３の基部４３ａの割合を約３％〜約２０％とするのが望ましい。また、図５、６の測定結果によると、基部４３ａの厚さと凸部４３ｂの厚さの比は、１：２以上とするのが望ましい。

なお、図５，６に示した測定結果は、例えば有限要素解析ソフトウェア等によっても容易に得ることができる。

次に、図７を参照して、他の実施の形態の微細構造体について説明する。図７（ａ）は、微細構造体の構成を示す要部平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のI-I線断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のII-II線断面図である。なお、以下にする説明において、図１に示した微細構造体１０と同等の構成要素については同じ名称を付し、適宜説明を省略する。

図７に示す微細構造体７０は、基板７１と、この基板７１上に形成された支持部７２と、この支持部７２により一端が支持され基板７１に対して略平行になるよう配設された梁７３と、この梁７３の他端に支持された可動部７４とから構成される。

梁７３は、全体として平面視略コの字状の棒または短冊状の板の形状を有する基部７５と、例えば棒または短冊状の板の形状を有し基部７５上に設けられた凸部７６とから構成される。ここで、基部７５および凸部７６は、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部７５と凸部７６は、一体に形成するようにしてもよい。

基部７５は、例えば棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部７２に支持された第１部材７５ａと、例えば棒または短冊状の板の形状を有する一端が第１部材７５ａの他端に第１部材と直交するように接続された第２部材７５ｂと、例えば棒または短冊状の板の形状を有し、一端が第２部材７５ｂの他端に第２部材と直交しかつ第１部材７５ａと対向するように接続された第３部材７５ｃとから構成される。

凸部７６は、第１部材７５ａの支持部７５と第２部材７５ｂとから離間した位置に第１部材７５ａを挟むように第１部材７５ａの上面および下面に形成された第１凸部７６ａ，７６ｂと、第３部材７５ｃの第２部材７５ｂと可動部７４とから離間した位置に第３部材７５ｃを挟むように第３部材７５ｃの上面および下面に形成された第２凸部７６ｃ，７６ｄとを有する。

このような微細構造体７０では、梁７３の基部７５を平面視略コの字状の形状とすることにより、梁７３をより長く形成することが可能となるので、梁７３のバネ定数を低減させることができる。また、梁７３の基部７５は、平面視略コの字状の形状という折り曲がった形状にすることにより、この折り曲げ形状によってひねりの変形が生じるため、バネ定数を低減させることが可能となる。

また、微細構造体７０では、凸部７６の第１凸部７６ａ，７６ｂおよび第２凸部７６ｃ，７６ｄがそれぞれ基部７５の上面および下面を挟み込むサンドイッチ構造をとることにより、基部７５の内部応力が基部７５の上面および下面に設けた凸部によって相殺されるため、梁７３の反りを効果的に緩和することが可能となる。

なお、基部７５の平面形状は、略コの字状に限定されず、例えばＬ字状など適宜自由に設定することが可能である。また、基部７５の平面形状は、略コの字状などの折り曲げ部が直角な形状に限定されず、任意の角度や円弧状に曲げられた形状にしてもよい。

次に、図８を参照して、他の実施の形態の微細構造体について説明する。図８は、微細構造体の構成を示す断面図である。なお、以下にする説明において、図１に示した微細構造体１０と同等の構成要素については同じ名称を付し、適宜説明を省略する。

微細構造体８０は、基板８１と、この基板８１上に所定距離離間して形成された一対の支持部８２，８３と、支持部８２により一端が支持され基板８１に対して略平行に配設された第１梁８４と、支持部８３により一端が支持され基板８１に対して略平行に配設された第２梁８５と、第１梁８４および第２梁８５の他端により支持された可動部８６とを有する。ここで、第１梁８４と第２梁８５の長さ方向の軸線は同一直線上にある。

第１梁８４は、例えば全体として棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部８２により支持され、他端が可動部８６を支持する基部８４ａと、この基部８４ａの支持部８２および可動部８６と離間した位置に基部８４ａよりも厚く形成された肉厚部８４ｂとを有する。ここで、基部８４ａは、十分に薄く形成されている。これにより、第１梁８４は、全体的に厚く形成する場合よりも高さ方向のバネ定数が小さくなる。また、肉厚部８４ｂは、８４ａよりも十分に厚く形成される。これにより、第１梁８４は、全体的に薄く形成する場合よりも第１梁８４の反り量が小さくなる。なお、基部８４ａおよび肉厚部８４ｂは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部８４ａと肉厚部８４ｂとは、一体に形成するようにしてもよい。

第２梁８５は、例えば全体として棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部８３により支持され、他端が可動部８６を支持する基部８５ａと、この基部８５ａの支持部８３および可動部８５と離間した位置に基部８５ａよりも厚く形成された肉厚部８５ｂとを有する。ここで、基部８５ａは、十分に薄く形成されている。これにより、第２梁８５は、全体的に厚く形成する場合よりも高さ方向のバネ定数が小さくなる。また、肉厚部８５ｂは、８５ａよりも十分に厚く形成される。これにより、第２梁８５は、全体的に薄く形成する場合よりも第２梁８５の反り量が小さくなる。なお、基部８５ａおよび肉厚部８５ｂは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部８５ａと肉厚部８５ｂとは一体に形成するようにしてもよい。

可動部８６は、対向する側面が第１梁８４および第２梁８５により支持される。

微細構造体８０では、可動部８６をそれぞれ肉厚部８４ｂ，８５ｂを有する第１梁８４および第２梁８５の２つの梁で支持することにより、第１梁８４および第２梁８５の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに第１梁８４および第２梁８５の反りを低減するのみならず、可動部８６が高さ方向に変位する際の移動の安定化を実現すること可能となる。

なお、図８に示す微細構造体８０において、第１梁８４および第２梁８５は、可動部８６の側面を支持しているが、可動部８６を支持する位置はこれに限定されず、例えば可動部８６の上面や下面など適宜自由に設定することができる。

次に、本実施の形態の具体例について図９を参照して説明する。図９（ａ）は、静電容量型スイッチの要部平面図、図９（ｂ）は、スイッチＯＦＦ時の静電容量型スイッチの断面図、図９（ｃ）は、スイッチＯＮ時の静電容量型スイッチの断面図である。なお、以下にする説明において、図２に示した静電容量型スイッチ２０と同等の構成要素については同じ名称を付し、適宜説明を省略する。

図９に示す静電容量型スイッチ９０は、基板９１と、この基板９１上に所定距離離間して形成された一対の支持部９２，９３と、支持部９２により一端が支持され基板８１に対して略平行に配設された第１梁９４と、支持部９３により一端が支持され基板８１に対して略平行に配設された第２梁９５と、第１梁９４および第２梁９５の他端により支持された上部電極９６とを有する。この上部電極９６は、下面に絶縁層９７が形成されており、この絶縁層９７の下面には接点電極９８が形成されている。また、基板９１上の上部電極９６と対向する位置には、平面視略矩形の下部電極９９，１００が並設されており、基板９１上の接点電極９８と対向する下部電極９９，１００に挟まれた領域には配線１０１，１０２が配設されている。

第１梁９４は、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部９２により支持され他端が上部電極９６を支持する基部９４ａと、例えば棒または短冊状の板の形状を有し、基部９４ａの支持部９２および上部電極９６と離間した位置において基部９４ａを挟むように基部９４ａの上面および下面に形成された凸部９４ｂ、９４ｃとを有する。ここで、基部９４ａおよび凸部９４ｂ、９４ｃは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部９４ａと凸部９４ｂ，９４ｃとは一体に形成するようにしてもよい。

第２梁９５は、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部９３により支持され他端が上部電極９６を支持する基部９５ａと、例えば棒または短冊状の板の形状を有し、基部９５ａの支持部９３および上部電極９６と離間した位置において基部９５ａを挟むように基部９５ａの上面および下面に形成された凸部９５ｂ、９５ｃとを有する。ここで、基部９５ａおよび凸部９５ｂ、９５ｃは、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部９５ａと凸部９５ｂ，９５ｃとは一体に形成するようにしてもよい。

上部電極９６は、第１梁９４と第２梁９５の端部により対向する側面が支持される。

下部電極９９は、図９（ａ）に示すように、基板９１上の上部電極９６の第１梁９４側の部分に対向する位置に形成される。また、下部電極１００は、基板９１上の上部電極９６の第２梁９５側の部分に対向する位置に形成される。

このような静電容量型スイッチ９０は、フォトリソグラフィ技術、薄膜形成技術、犠牲層エッチング等の公知のＭＥＭＳプロセス技術を用いて容易に形成することができる。

次に、静電容量型スイッチ９０の動作について説明する。まず、静電容量型スイッチ９０をＯＮにする場合、上部電極９６と、下部電極９９，１００に駆動電圧を印加する。すると、静電力により上部電極９６と下部電極９９，１００との間で引力が発生し、上部電極２４が下部電極９９，１００の方へ引っ張られる。このとき、第１梁９４および第２梁９５が弾性変形することにより、上部電極９６は下方へと変位し、図９（ｃ）に示すように接点電極９８と配線１０１，１０２とが接触する。これにより配線１０１，１０２が電気的に導通状態となるので、静電容量型スイッチ９０はスイッチがＯＮの状態となる。

一方、静電容量型スイッチ９０をＯＦＦにする場合、上部電極９６および下部電極９９，１００への駆動電圧の印加を停止する。すると、上部電極９６と下部電極９９，１００との間に発生していた引力が消滅する。このため、第１梁９４および第２梁９５の弾性力により上部電極９６は上方へと変位する。この結果、接点電極９８は、図９（ｃ）に示すように配線１０１，１０２と離れるので、静電容量型スイッチ９０はスイッチがＯＦＦの状態となる。

このような静電容量型スイッチ９０では、上部電極９６をそれぞれ凸部９４ｂ，９４ｃ，９５ｂ，９５ｃを有する第１梁９４および第２梁９５の２つの梁で支持することにより、第１梁９４および第２梁９５の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに第１梁９４および第２梁９５の反りを低減するのみならず、上部電極９６が高さ方向に変位する際の移動の安定化を実現することができる。

なお、図９に示す静電容量型スイッチ９０において、第１梁９４および第２梁９５は、上部電極９６の側面を支持しているが、上部電極９６を支持する位置はこれに限定されず、例えば上部電極９６の上面や下面など適宜自由に設定することができる。

次に、本実施の形態の具体例について図１０を参照して説明する。図１０は、静電容量型スイッチの要部平面図である。なお、以下にする説明において、図２，９に示した静電容量型スイッチ２０，９０と同等の構成要素については同じ名称を付し、適宜説明を省略する。また、図１０において、図１０を正面視した状態で上下方向をＹ方向、図１０を正面視した状態で左右方向をＸ方向という。

図１０に示す静電容量型スイッチ２００は、基板（図示せず）上に所定距離離間して形成された一対の支持部２０１，２０２と、支持部２０１により一端が支持され基板に対して略平行に配設された第１梁２０３，第２梁２０４と、支持部２０２により一端が支持され基板に対して略平行に配設された第３梁２０５，第４梁２０６と、第１梁２０３および第２梁２０４の他端により支持部２０１側の端部が支持され、かつ、第３梁２０５および第４梁２０６により支持部２０２側の端部が支持された平面視略矩形の上部電極２０７とを有する。この上部電極２０７は、下面に絶縁層２０８が形成されており、この絶縁層の下面には接点電極２０９が形成されている。また、基板上の上部電極２０７と対向する位置には、平面視略矩形の下部電極２１０，２１１が並設されており、基板上の接点電極２０９と対向する下部電極２１０，２１１に挟まれた領域には、Ｙ方向に延在する配線２１２，２１３が配設されている。

第１梁２０３は、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる平面視略Ｓ字状のつづら折り形状の棒または短冊状の板の形状を有し、一端が支持部２０１により支持され他端が上部電極２０７を支持する基部２２０と、例えば金属材料、絶縁材料またはこれらの組み合わせ等からなる棒または短冊状の板の形状を有し、基部２２０の支持部２０１および上部電極２０７と離間した位置に基部２２０を挟むように基部２２０の上面および下面に形成された第１〜第３凸部２２１，２２２，２２３とを有する。ここで、基部２２０および第１〜第３凸部２２１，２２２，２２３は、それぞれ単層構造および多層構造の何れでもよい。また、基部２２０と第１〜第３凸部２２１，２２２，２２３とは、一体に形成するようにしてもよい。

基部２２０は、一端が支持部２０１に支持され支持部２０１からＹ方向の正の方向に延在する第１部材２２０ａと、この第１部材２２０ａの他端からＸ方向の正の方向に延在する第２部材２２０ｂと、この第２部材２２０ｂの他端からＹ方向の負の方向に延在する第３部材２２０ｃと、この第３部材２２０ｃの他端からＸ方向の正の方向に延在する第４部材２２０ｄと、この第４部材の他端からＹ方向の正の方向に延在する第５部材２２０ｅと、この第５部材２２０ｅの他端からＸ方向の正の方向に延在し他端が上部電極２０７の支持部２０１側でＸ方向の正の側の端部に接続された第６部材２２０ｆとから構成される。ここで、第１部材２２０ａ、第３部材２２０ｃおよび第５部材２２０ｅは、それぞれ同程度の長さを有する。

第１凸部２２１は、第１部材２２０ａの支持部２０１および第２部材２２０ｂから離間した位置に形成される。第２凸部２２２は、第３部材２２０ｃの第２部材２２０ｂおよび第４部材２２０ｄから離間した位置に形成される。第３凸部２２３は、第５部材２２０ｅの第４部材２２０ｄおよび第６部材２２０ｆから離間した位置に形成される。

なお、第２梁２０４は、第１梁２０３をＸ軸に対して対称な形状を有するものである。また、第３梁２０５は、第１梁２０３をＹ軸に対して対称な形状を有するものである。また、第４梁２０６は、第１梁２０３をＸ軸およびＹ軸に対して対称な形状を有するものである。よって、第２梁２０４，第３梁２０５，第４梁２０６において、第１梁２０３と同等の構成要素には同じ名称を付し、適宜説明を省略する。

上部電極２０７は、第１梁２０３，第２梁２０４により支持部２０１側の端部が支持され、第３梁２０５，第４梁２０６により支持部２０２側の端部が支持される。このように、上部電極２０７は、４本の梁により支持される。

下部電極２１０は、上部電極２０７に対向する基板上の支持部２０１側の位置に形成される。また、下部電極２１１は、上部電極２０７に対向する基板上の支持部２０２側の位置に形成される。

このような静電容量型スイッチ２００は、フォトリソグラフィ技術、薄膜形成技術、犠牲層エッチング等の公知のＭＥＭＳプロセス技術を用いて容易に形成することができる。

静電容量型スイッチ２００は、図９に示した静電容量型スイッチ９０と同様、下部電極２１０，２１１への駆動電圧の印加および停止を行うと、上部電極２０７が高さ方向に変位し、スイッチのＯＮ／ＯＦＦが行われる。

上述したように図１０に示す静電容量型スイッチ２００では、上部電極２０７をそれぞれ凸部を有する第１〜４梁２０３〜２０６の４つの梁で支持することにより、第１〜４梁２０３〜２０６の高さ方向のバネ定数の増加を抑制するとともに第１〜４梁２０３〜２０６の反りを低減するのみならず、上部電極２０７が高さ方向に変位する際の移動の安定化を実現することができる。

また、静電容量型スイッチ２００では、第１〜４梁２０３〜２０６を平面視略Ｓ字状の形状とすることにより、各第１〜４梁２０３〜２０６をより長く形成することが可能となるので、第１〜４梁２０３〜２０６のバネ定数をさらに低減することができる。また、第１〜４梁２０３〜２０６を平面視略Ｓ字状の形状という折り曲がった形状とすることにより、この折り曲げ形状によってひねりの変形が生じるため、バネ定数を低減することができる。また、第１〜４梁２０３〜２０６を平面視略Ｓ字状の形状とすることにより、折り曲げ形状を複数設けることにより、ひねりによる変形がさらに生じるため、バネ定数をさらに低減させることができる。したがって、駆動電圧を低下させることが可能となる。また、第１〜４梁２０３〜２０６のような構造を例えば圧力センサに適用すると、センサの感度を向上させることができる。

また、静電容量型スイッチ２００では、第１〜４梁２０３〜２０６それぞれに凸部を複数設けることにより、平面視略Ｓ字状の形状によってバネ定数がより低減されている場合であっても、第１〜４梁２０３〜２０６を反り量を効果的低減することが可能となる。

なお、図１０に示す静電容量型スイッチ２００において、第１〜４梁２０３〜２０６は、上部電極２０７の側面を支持しているが、上部電極２０７を支持する位置はこれに限定されず、例えば上部電極２０７の上面や下面など適宜自由に設定することができる。

また、図１〜図１０を参照して説明した微細構造体および静電容量型スイッチにおいて、肉厚部または凸部を梁に設ける長さ方向の位置は、適宜自由に設定することができる。特に、支持部近傍、可動部近傍、折り曲げ形状近傍を除く位置に肉厚部または凸部を設けると、梁のバネ定数を効果的に低減させることができる。

また、図１〜１０を参照して説明した微細構造体および静電容量型スイッチにおいて、梁の断面形状は矩形に限定されず、例えば円形や楕円形など適宜自由に設定することができる。

本発明にかかる微細構造体の構成を示す断面図である。 （ａ）静電容量型スイッチの要部平面図、（ｂ）スイッチＯＦＦ時の静電容量型スイッチの断面図、（ｃ）スイッチＯＮ時の静電容量型スイッチの断面図である。 本発明にかかる他の微細構造体の構成を示す断面図である。 （ａ)本発明にかかる微細構造体の一例の構成を示す断面図、（ｂ）従来の微細構造体の構成を示す断面図である。 図４（ａ）の微細構造体の梁の厚さと梁の反りおよびバネ定数との関係を示す図である。 図４（ａ）の微細構造体における基部４３ａの割合に対する梁４３のバネ定数および反り量の関係を示す図である。 （ａ）本発明にかかる他の微細構造体の構成を示す要部平面図、（ｂ）図７（ａ）のI-I線断面図、（ｃ）図７（ａ）のII-II線断面図である。 本発明にかかる他の微細構造体の構成を示す断面図である。 （ａ）静電容量型スイッチの要部平面図、（ｂ）スイッチＯＦＦ時の静電容量型スイッチの断面図、（ｃ）スイッチＯＮ時の静電容量型スイッチの断面図である。 静電容量型スイッチの要部平面図である。 （ａ）、（ｂ）従来の微細構造体の断面形状を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）従来の微細構造体の断面形状を示す模式図である。

符号の説明

１０…微細構造体、１１…基板、１２…支持部、１３…梁、１３ａ…基部、１３ｂ…肉厚部、１４…可動部、２０…静電容量型スイッチ、２１…基板、２２…支持部、２３…梁、２３ａ…基部、２３ｂ…肉厚部、２４…上部電極、２５…絶縁層、２６…接点電極、２７…下部電極、２８，２９…配線、３０…微細構造体、３１…基板、３２…支持部、３３…梁、３３ａ…基部、３３ｂ…凸部、３４…可動部、４０…微細構造体、４１…基板、４２…支持部、４３…梁、４３ａ…基部、４３ｂ…凸部、４３ｃ…第１層、４３ｄ…第２層、４４…可動部、７０…微細構造体、７１…基板、７２…支持部、７３…梁、７４…可動部、７５…基部、７５ａ…第１部材、７５ｂ…第２部材、７５ｃ…第３部材、７６…凸部、７６ａ，７６ｂ…第１凸部、７６ｃ、７６ｄ…第２凸部、８０…微細構造体、８１…基板、８２，８３…支持部、８４…第１梁、８４ａ…基部、８４ｂ…肉厚部、８５…第２梁、８５ａ…基部、８５ｂ…肉厚部、８６…可動部、９０…静電容量型スイッチ、９１…基板、９２，９３…支持部、９４…第１梁、９４ａ…基部、９４ｂ，９４ｃ…凸部、９５…第２梁、９５ａ…基部、９５ｂ，９５ｃ…凸部、９６…上部電極、９７…絶縁層、９８…接点電極、９９，１００…下部電極、１０１，１０２…配線、２００…静電容量型スイッチ、２０１，２０２…支持部、２０３〜２０６…第１〜第４梁、２０７…上部電極、２０８…絶縁層、２０９…接点電極、２１０，２１１…下部電極、２１２，２１３…配線、２２０，２３０，２４０，２５０…基部、２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ，２５０ａ…第１部材、２２０ｂ，２３０ｂ，２４０ｂ，２５０ｂ…第２部材、２２０ｃ，２３０ｃ，２４０ｃ，２５０ｃ…第３部材、２２０ｄ，２３０ｄ，２４０ｄ，２５０ｄ…第４部材、２２０ｅ，２３０ｅ，２４０ｅ，２５０ｅ…第５部材、２２０ｆ，２３０ｆ，２４０ｆ，２５０ｆ…第６部材、２２１〜２２３，２３１〜２３３，２４１〜２４３，２５１〜２５３…第１〜第３凸部。

Claims (4)

1. 基板上に形成された支持部と、
   この支持部により支持され、少なくとも一部が前記基板から離間した梁と
   を有する微細構造体において、
   前記梁の一部は、他の部分よりも少なくとも前記基板の法線方向に厚く形成される
   ことを特徴とする微細構造体。
2. 前記梁は、少なくとも一部が基板に対して平行な方向に折り曲げられている
   ことを特徴とする請求項１記載の微細構造体。
3. 前記梁に支持された可動部をさらに有し、
   前記梁は、前記基板の法線方向に変位する
   ことを特徴とする特徴とする請求項１または２記載の微細構造体。
4. 前記梁は、複数設けられる
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の微細構造体。
   

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